起底華為2項(xiàng)鋰電池“黑科技”

提起華為大家首先想到的或許是手機(jī)，或許是通信設(shè)備，但卻少有人知道華為還擁有眾多對(duì)鋰離子電池領(lǐng)域的相關(guān)研究。華為的研發(fā)投入巨大，不僅是在通信設(shè)備方面，在鋰電池方面研發(fā)投入也是不少。此次備胎芯片“全部轉(zhuǎn)正”，華為近期關(guān)于鋰電領(lǐng)域的2項(xiàng)研究成果進(jìn)展也被挖掘出來(lái)。

實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)合，解決鋰離子內(nèi)部短路問(wèn)題

第一項(xiàng)成果：Safety issues caused by internal short circuits in lithium-ion batteries（鋰離子電池內(nèi)部短路引起的安全問(wèn)題）。

該成果是，華為中央研究院聯(lián)合北航的研究人員提出了一種具有高度重復(fù)性的研究電池內(nèi)短路的新方法，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)和仿真手段考察了內(nèi)短路發(fā)展過(guò)程。

內(nèi)短路一直是鋰離子電池安全性研究的重要課題之一。目前所開(kāi)發(fā)的內(nèi)短路研究方法包括熱觸發(fā)（石蠟、相變材料、形狀記憶合金等）、電觸發(fā)（充電/放電等）和機(jī)械觸發(fā)（針刺、內(nèi)置金屬顆粒、打孔隔膜等）。但由于電池體系的封閉性和熱、電、機(jī)械等多重因素的影響，內(nèi)短路發(fā)生過(guò)程及機(jī)理遠(yuǎn)未達(dá)到深刻理解的程度，內(nèi)短路研究迫切需要高重復(fù)性、高精確性的新原理、新方法。本方法亮點(diǎn)：1.方法具有很高的重復(fù)性；2.結(jié)合實(shí)驗(yàn)和仿真手段探究?jī)?nèi)短路發(fā)展過(guò)程。

該研究是將直徑為2 mm的小鋼球通過(guò)擠壓方式以1mm/min的速度侵入電池觸發(fā)內(nèi)短路，實(shí)驗(yàn)過(guò)程監(jiān)測(cè)了電壓、不同位置溫度變化及實(shí)時(shí)視頻。實(shí)驗(yàn)所用的電池為華為提供的LiCoO2手機(jī)電池。

由于內(nèi)短路過(guò)程無(wú)法直接觀察測(cè)量，作者利用有限元和多物理參數(shù)模型對(duì)內(nèi)短路過(guò)程進(jìn)行了輔助分析。其中，力模型用于分析內(nèi)短路前的擠壓過(guò)程，電池模型和短路模型用于分析內(nèi)短路過(guò)程的電化學(xué)行為，熱失控模型用于分析熱失控行為，以上四大模型和熱模型聯(lián)合使用。模擬仿真過(guò)程較為復(fù)雜，且目前利用仿真手段研究電池的論文愈來(lái)愈多，感興趣的朋友可以詳細(xì)研究下本論文中的相關(guān)講解，在此不贅述。

具體的文獻(xiàn)信息如下：

摻雜其他金屬，提高鈷酸鋰容量到理論容量

第二項(xiàng)成果：Approaching the capacity limit of lithium cobalt oxide in lithium ion batteries via lanthanum and aluminium doping（通過(guò)摻雜鑭和鋁，使鋰離子電池中的鈷酸鋰接近理論容量）。

該成果是華為中央研究院聯(lián)合美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室通過(guò)摻雜La和Al，將LiCoO2的穩(wěn)定電壓提高到了4.5V，可逆容量達(dá)到190mAh/g。

近年來(lái)，動(dòng)力電池對(duì)低成本、高比能電池的需求使得三元材料的市場(chǎng)需求快速增加，但是在消費(fèi)電子產(chǎn)品領(lǐng)域，鈷酸鋰材料長(zhǎng)期以來(lái)占據(jù)鋰離子電池正極材料的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位。

鈷酸鋰材料的理論容量為274mAh/g，但在實(shí)際使用中為了保持鈷酸鋰的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和良好的循環(huán)性能，我們一般將充電電壓限制在4.2V左右，因此鈷酸鋰的實(shí)際使用容量也就在140mAh/g左右，近年來(lái)材料廠家通過(guò)表面包覆合、元素?fù)诫s等手段提升了鈷酸鋰材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，充電電壓可以提升至4.35V，從而使得鈷酸鋰材料的可逆容量達(dá)到165mAh/g左右，但是這仍然無(wú)法滿(mǎn)足高比能鋰離子電池的需求。

為此，華為中央研究院聯(lián)合美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室通過(guò)La和Al摻雜，將LiCoO2的穩(wěn)定電壓提高到了4.5V，可逆容量達(dá)到190mAh/g，其中La能夠增加LCO材料在c軸方向上的晶胞參數(shù)，Al則能夠起到促進(jìn)Li+擴(kuò)散、穩(wěn)定晶體結(jié)構(gòu)和防止LCO材料相變的作用，兩者相互作用顯著改善了LCO材料在高電壓下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，循環(huán)50次后仍然能夠保持96%的容量，并使得LCO材料的倍率性能得到了大幅提高。